從第39屆國際氣象雷達會議看相控陣天氣雷達發展

■ 高玉春 陳浩君 步志超 陶法 徐鳴一 王簫鵬 張樂堅 李瑞義 文浩 馬舒慶

相控陣天氣雷達相比其他天氣雷達，技術更復雜，采樣速度成倍提高。2002年，美國強風暴實驗室（NSSL）聯合多家單位把宙斯盾艦船上的相控陣雷達改裝成一個相控陣天氣雷達（NWRT），并進行了外場探測試驗，這是天氣雷達歷史上的第一部具有相控陣快速掃描的雷達，隨著NWRT外場試驗展現出的精細化探測結果，相控陣技術逐漸走入天氣雷達領域。2009年，美國新研制的一維X波段車載相控陣天氣雷達MWR-05XP參與了VORTEX2的風暴觀測實驗，與移動X波段、W波段天氣雷達聯合觀測，得到了龍卷、超級單體等強對流天氣的精細結構。日本大坂大學和東芝公司研制了X波段的相控陣天氣雷達（PAWR），第一部安裝在大阪大學，并于2012年7月開始進行場外試驗，該雷達可以在1 min內對積雨云進行三維探測，通過該雷達的探測數據，證明了雷電活動和風暴結構之間的關系。我國電科集團14所、38所、航天科工第23所、湖南宜通華盛公司、珠海納睿達公司也研制了相控陣天氣雷達，在北京、上海、廣東、江蘇、湖南等地開始試驗和應用。相控陣天氣雷達的研發與應用已成為天氣雷達領域的重要發展趨勢。

第39屆雷達氣象學國際會議于2019年9月16—20日在日本奈良召開，這是美國氣象學會（AMS）主辦的雷達氣象學國際年會，是當前世界上規模最大的雷達氣象學學術交流會議，26個國家和地區的426位專家參加了這次會議（圖1），就9個方面主題進行了交流（圖2）。

圖1 參會國家/區域的人數分布

圖2 會議交流主題和類型

中國氣象局系統向會議提交了19 篇論文，口頭交流2篇。來自上海市氣象局的專家在大會上做了相控陣陣列天氣雷達應用報告，介紹了我國自主設計、研制的新型相控陣天氣雷達——陣列天氣雷達和新穎的應用成果。

1 相控陣天氣雷達技術發展特點

相控陣天氣雷達由天線陣列、接收發射模塊組件、信號處理組件、伺服、電源等構成，在這次會議的相控陣雷達交流中報告了天線、信號處理、天線罩等方面的新技術。

1.1 相控陣天線技術

相控陣雷達天線是相控陣天氣雷達最有代表性關鍵部件，會議中多個報告介紹了相控陣天線研制。

相控陣天線的方向圖可以在遠場和近場進行測量。兩者都需要特殊的設計，包括接近天線范圍或在天線前安裝探頭的復雜機制。所有指向的方向圖測量極其耗時。仿真計算是一種很好的實用方法。東京都立大學設計了平面型、圓柱型和半球型三種類型的相控陣天線，利用仿真技術對三種天線的差分反射率、差分相位相移、相關系數等偏振參數進行數值模擬，評估三種天線對雷達參數估計的影響。結果表明，由于平板天線波束寬、斜向旁瓣高，與圓柱形和半球形天線相比，平板天線的雷達反射率因子被高估，在水平方向（如方位角），真值與估計值之間的平均絕對誤差約為3.0 dB。對于圓柱形天線，僅在垂直方向被高估，絕對誤差是1.4 dB。半球形天線的估計精度與拋物面天線的估計精度相當，絕對誤差是1.0 dB。

俄克拉何馬大學等針對共形天線陣列方向圖，提出了一種改進的粒子群優化算法。其主要目標是優化圓柱偏振相控陣雷達的波束形成權重。提出了一種新的兩步目標優化方法，實現換向掃描所需的方向圖。該算法首先定義水平偏振的粒子群優化算法，使得水平偏振達到低旁瓣和所有轉換波束的期望波束寬度。第二步，對垂直偏振進行多目標優化，以獲得高匹配的水平和垂直共混模式以及低狹縫垂直偏振。提出了轉換波束掃描的優化方向圖，并與單波束機械掃描進行了比較。仿真和測量結果都證實了轉換掃描雙偏振方向圖高度匹配。

三菱電氣公司設計研制了一種注塑樹脂制成的波導隙縫陣列天線，在交叉偏振特性和天線效率方面，與傳統貼片陣列天線相比，具有良好的性能，對減輕重量和降低成本也有貢獻。天線口徑為3.2 m×3.2 m。天線由每個偏振74×16子陣組成，每個子陣有4個輻射單元。陣列的波束寬度小于1.2°，實現低于-30 dB的旁瓣電平。

1.2 波束形成技術

傳統的天氣雷達體積觀測的更新時間（體掃時間）是駐留時間和波束位置數的乘積。相控陣天氣雷達通過數字波束形成（DBF）發射更寬的波束，同時產生多個窄接收波束，從而大大縮短了體掃時間。此外，DBF允許雷達波束自適應成形，以更好地抑制地雜波、干擾等，并提供更好的天氣觀測。大會上針對自適應波束形成技術做了展板交流，Shuhei Uchida等采用基于最小均方誤差的自適應波束形成（MMSE）技術對相控陣天氣雷達（MP-PAWR）進行了改進，以減小地雜波的影響。

1.3 數據傳輸和處理技術

相控陣天氣雷達體掃時間短，數據更新快，覆蓋仰角范圍大，因此數據量和數據流量遠大于拋物面天線雷達，數據傳輸的問題突顯出來。日本國家地球科學和抗災研究所（NIED）、名古屋大學等開發了一個流數據處理系統，可以從相控陣天氣雷達（MPPAWR）的觀測數據中實時生成各種產品。在主機和處理系統之間建立一個TCP 流。由MP-PAWR同時觀測到的多個高程數據組成的數據塊立即通過流發送給國家地球科學與抗災研究所。到達的數據存儲在處理服務器的共享內存中。 接下來數據處理程序從共享存儲器中搜索到的數據，并執行質量控制、差分相位常數（KDP） 估計、衰減校正等。這個過程逐項并行，10 s內完成，結果保存在共享內存中。

1.4 脈沖壓縮技術

相控陣天氣雷達通常采用固態有源發射技術，因此脈沖壓縮技術是相控陣天氣雷信號處理的關鍵技術之一。脈沖壓縮后會有具有距離旁瓣，并可能導致來自相鄰距離位置的污染。即使理論上設計的壓縮波形具有可接受的距離旁瓣電平，由系統引入的實際效果可能會使這些旁瓣電平超過可接受的限度。俄克拉何馬州的中尺度氣象研究所為了滿足嚴格的距離分辨率要求，在波形設計過程中考慮實際的系統效應，典型的解決方案包括預失真波形或失配濾波器的設計。一方面，波形預失真可以以降低靈敏度為代價在距離旁瓣電平方面產生更好的性能；另一方面，由于接收數據的欠采樣性質，與預失真發射波形相比，使用失配濾波器來補償實際效果可能不是很有效。此外，水平偏振和垂直偏振的系統畸變可能不同，也會影響偏振變量估計的質量。

1.5 天線罩技術

雷達天線罩是雷達系統的重要組成部分，提供結構強度，以保護雷達天線免受風載，并提供穩定性和完整性，以應對溫度、濕度和壓力等環境因素。此外，天線罩有利于系統的運行和維護，延長了系統的使用壽命。天線罩的一個不利影響是當外表面存在水或冰時雷達信號的性能下降。由于雨強不同，天線罩上形成了各種各樣的水層，產生不同的衰減。根據工作頻率，降雨強度，風力條件，以及天線罩的形狀和材料，天線罩會顯著地衰減、反射和消偏雷達信號。對于低于2.0 GHz 的頻率，濕天線罩的影響相對較小。雙偏振天氣雷達對偏振產品，如差分反射率（ZDR）和線性退偏振比（LDR）的精度要求很高。水平偏振和垂直偏振之間的不匹配，以及交叉偏振分量的上升，在ZDR和LDR的測量中引入了偏差。俄克拉何馬大學開展這項研究旨在調查雷達天線罩表面不同水層對偏振相控陣雷達信號質量的影響。對不同形狀的天線罩進行了分析，包括球形、圓柱形天線罩。提出了一種實時校準技術，以減小濕天線罩產生的H偏振信號與V偏振信號之間的失配。

2 相控陣天氣雷達和國家天氣雷達網發展

相控陣天氣雷達與拋物面天線天氣雷達氣象學意義上的差別就是相控陣天氣雷達能夠多波束同時掃描，而拋物面天線天氣雷達只能單波束掃描。如果相控陣天氣雷達同時N個波束掃描，那么，在脈沖重復周期、FFT點數、掃描俯仰角、掃描方位角、方位分辨率、俯仰分辨率等等決定體掃時間的參數相同情況下，相控陣天氣雷達體掃時間是拋物面天線天氣雷達時間的1/N。體掃時間減少帶來的意義：一是時間分辨率提高，容易發現短周期的天氣變化，容易捕捉小尺度天氣；二是使得同一體掃資料不同空間位置的資料可比性提高。現在的新一代天氣雷達體掃時間6 min，那么對于6 min內的變化就難以了解；再者，零度仰角的資料與最高仰角資料差6 min。對于分析天氣的垂直結構增加了很大困難。正是相控陣天氣雷達多波束同時掃描，大大縮短體掃時間的能力吸引了國內外氣象人。美國國家氣象局NWS明確提出了利用相控陣雷達達到建立更快的掃描速度的國家雷達網更新換代目標。

美國國家天氣雷達網從20世紀80年代末開始建設到現在，已經30多年了。美國國家天氣雷達網如何發展，從這次會議上美國專家發表的報告看，他們已經將目光投向了相控陣雷達。美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的幾個國家實驗室已經開始評估到2040年更換氣象監視雷達（WSR-88D）網的戰略。NWS明確提出了更快的掃描速度的“客觀”要求，這可能會增加龍卷風和其他高影響天氣的警報提前時間，并提高相關的檢測概率，降低虛警概率。美國已提出一個時間表，2020年開始雷達技術和應用評估，2025年推出原型機，開始業務驗證和評估工作，2030—2035年完成采購，開始生產，2040完成布設。

由NOAA、聯邦航空管理局、林肯實驗室、通用動力任務系統和俄克拉何馬大學聯合開發了先進的驗證雷達（Advanced Technology Demonstrator，ATD），ATD是一個S 波段雙偏振有源的相控陣天氣雷達，有發射單元4864個，48（2×24）個接收機。伺服系統俯仰180°旋轉、方位360°旋轉。與我們現有S波段業務雷達不同，其不采用真空管作為發射源，采用固態發射技術，利用脈沖壓縮波形來滿足靈敏度和距離分辨率要求。這個雷達是一個驗證平臺。根據近幾年ATD系統的研究成果，美國計劃基于現有ATD系統再開發二代系統，支持美國國家氣象局（NWS）主導的相控陣雷達運行評估，為探討下一代用于國家雷達網的相控陣雷達技術和業務建立提供支撐。

在過去的4年里，通過NOAA海洋及大氣研究中心（OAR）的持續資助，以及可行性研究支持的高效率國家監視雷達（SENSR）計劃，在氣象標準化的研究方面取得如下進展：1）體系結構（陣列大小、數字化水平）；2）偏振標定和補償；3）與 WSR-88D標準相比的數據質量差異；4）相控陣雷達技術的發展（能力和成本）；5）掃描策略、預報員接口、同化方法；6）預報和預警服務效益；7）雷達網和輔助傳感器的布局。

美國氣象部門在研究用相控陣雷達作為下一代國家天氣雷達網的組網雷達，所做的工作和取得的成果，我們清楚的看到了兩點：1）相控陣天氣雷達相對與WSR-88D有明顯的時間分辨率優勢，對于擴展國家雷達網捕捉小尺度強烈天氣，提高防災減災預警能力有重要作用；2）相控陣天氣雷達用于國家天氣雷達網具有技術和業務可行性。鑒于這兩點，相控陣雷達成為國家天氣雷達網的組網雷達將成為一種發展趨勢。

3 多種類型短程探測相控陣天氣雷達

2003年，美國CASA計劃提出了短程雷達近距離布設，協同觀測的概念，由此，多雷達短程（幾十千米）協同觀測成為天氣雷達一個新的重要發展方向，中科院大氣物理研究所也開展這方面工作。CASA計劃的幾個子計劃都采用了拋物面天線雷達，因此，在對天氣系統的空間覆蓋和數據時差（同一空間點不同雷達數據獲取時間的差）都難以滿足應用需求。用相控陣天氣雷達將很好的彌補上述不足。這次會議除了報告遠程探測相控陣天氣雷達，如ATD外，更多報告介紹了多種短程探測相控陣天氣雷達，這些雷達有雙偏振雷達，單偏振雷達，有X波段雷達，也有C和S波段雷達。這些相控陣雷達有一些共同特點：徑向探測范圍為幾十千米；峰值發射功率不大，在幾百瓦量級；采用有源天線體制；采用數字波束形成技術（DBF）；一維相控陣（俯仰電掃，方位機械掃描）；體掃時間幾十秒。

美國俄克拉何馬大學的高級雷達研究中心研發了一種移動式X波段相控陣雷達（AIR），AIR使用數字波束成形技術（DBF）來進行垂直方向掃描，在方位角上通過機械轉向。該雷達在110°方位角×20°仰角扇區體積上以7 s的時間分辨率獲得觀測數據。

俄克拉何馬大學的高級雷達研究中心正在與NOAA的國家強風暴實驗室合作，開發S波段數字波束雙偏振相控陣移動天氣雷達（Horus）。Horus雷達具有1024（32×32）個雙偏振信道，在自適應波束形成等方面將具有極大的靈活性。每個信道將產生10多瓦的峰值功率，支持10%的占空比，在50 km處的靈敏度約為12.5 dBZ。

美國國家科學基金會資助的移動C波段相控陣天氣雷達系統（PAIR），借鑒了AIR和其他雷達系統的開發和部署中的經驗教訓，提高了可靠性、可維護性、易用性、安全性和可現場快速部署能力等。PAIR的體系結構提供了獨特的掃描靈活性，以及雙偏振探測，具有快速的體掃時間，PAIR能夠同時在仰角方向上執行DBF操作，通過機械旋轉實現方位角覆蓋。最快體掃時間為6～10 s。

日本無線電有限公司研發了一種單偏振X 波段相控陣天氣雷達。 它只需要30 s就可以完成半徑80 km以內，高度20 km內的體積掃描。它從16個縫隙天線單元發射水平偏振波，126個縫隙天線單元接收回波信號，采用數字波束形成DBF，空間分辨率高達50 m。

美國俄克拉何馬大學牽頭研制的圓柱形偏振相控陣雷達（CPPAR），首次采用圓柱形相控陣天線進行氣象探測應用，使用單束機械掃描和換向束電子掃描，可以在各個方向上具有方位角和偏振掃描不變束的特性，從而可以進行高質量的天氣測量。

中國氣象科學研究院采用X波段相控陣天氣雷達和兩個極化天氣雷達開展聯合探測強對流天氣。通過對2016年5月9日廣東佛山發生的一次超級單體的觀測分析， 超級單體中的偏振特征與特定的微物理過程有關，這些過程可以揭示風暴演變的不同階段。相控陣雷達的觀測在短時間尺度上顯示了拋物面天線雷達無法觀測到的詳細變化。中國氣象科學研究院開展了相控陣天氣雷達雷達定標技術研究和應用。

會議報告的多種短程探測相控陣天氣雷達，從種類的和數量可以看出短程探測將是相控陣天氣雷達發展的極為重要的方向。這些短程探測相控陣雷達體掃時間大大縮短，仰角0°～90°覆蓋條件下，一般體掃時間不超過60 s，在時間分辨率上具有顯著優勢。距離分辨率也比較高，一般都是幾十米。在小尺度強烈天氣，如冰雹、龍卷、短時強降水探測中，能更精細的揭示其結構。隨著短程探測相控陣天氣雷達的應用，短臨預報將得到新的發展。

4 陣列天氣雷達及動力學與熱力學結合探測

在這次會議上上海市氣象局報告了獨具特色的陣列天氣雷達（AWR）試驗。中國氣象局氣象探測中心、上海市氣象局和湖南宜通華盛公司在上海開展AWR探測試驗。AWR是由氣象部門和湖南宜通華盛公司共同設計和研制的，并于2018年11月開始在上海安裝。目前，S和C波段拋物面雷達系統已被證明是一種有效的天氣監測系統，特別是在100 km 以上的大范圍內。然而，典型的 S波段或C 波段雷達系統在空間和時間解析度上的局限性不足以捕捉迅速變化的小尺度天氣，更重要的是目前的天氣雷達主要提供的是天氣系統的熱力學信息，通過回波強度和偏振量可知大氣產生了凝結、凝華，釋放了潛熱，將產生對流，然而對流的強度，整個流場的變化并不能知道，雖然可探測到徑向速度，但仍然不能準確確定3維風場分布。AWR是一種新型的分布式相控陣天氣雷達，AWR 包括至少三個相控陣子陣（AWR的前端）。本次試驗中安裝的三個子陣列，分別位于上海寶山、浦東和崇明三個地區，形成一個類似于等邊三角形的觀測網絡。三個子陣列作為一個整體進行同步掃描，保證同一空間點的數據時差小于5 s，從而利用子陣列的徑向速度合成正確的流場。AWR的一次體掃時間是30 s。覆蓋整個天空，距離分辨率30 m，距離探測范圍43 km。子陣采用俯仰電掃數字波束形成技術，方位采用機械旋轉方式。它發射4個寬波束，接收64路后向散射信號。在上海市區開展了探測試驗，與S波段雷達系統的初步比較表明，AWR不僅可獲得強度（反射率因子）數據，并探測得到的高分辨率三維風場，獲取了動力學信息，能更詳細地反映降水的結構和動態過程。這樣不僅能得到降水天氣系統的云降水的水成物信息，同時也得到對應的動力學結構和變化，這將為短臨預報的進一步發展提供了新的參量。

5 小結

第39屆國際氣象雷達會議第一次將相控陣天氣雷達列為一個交流主題。從相控天氣雷達交流的內容，可以看到天氣雷達的發展和相控陣天氣雷達的重大作用。

1）會議交流展示出了對天氣雷達的發展有影響力的工作成果。美國氣象部門表達了選擇相控陣天氣雷達作為國家雷達網組網雷達的基本觀點——利用相控陣快速掃描的特點，縮短體掃時間，提高雷達網捕捉小尺度天氣系統的能力。他們在技術層面和業務層面的研究，讓人們看到了相控陣天氣雷達作為下一代業務使用天氣雷達的可能性。

2）短程探測將是相控陣天氣雷達發展的極為重要的方向。這些短程探測相控陣雷達體掃時間一般體掃時間不超過60 s。距離分辨率也比較高，一般都是幾十米。在小尺度強烈天氣，如冰雹、龍卷、短時強降水探測中，能更精細的揭示其結構。

3）介紹了不同類型的相控陣天氣雷達，在波段上有S、C、X，在偏振方式上有單偏振、雙偏振。這些相控陣天氣雷達也有不少共同點，大部分徑向探測范圍為幾十千米；峰值發射功率不大，在幾百瓦量級；采用有源天線體制；采用數字波束形成技術（DBF）；一維相控陣（俯仰電掃，方位機械掃描）；體掃時間短。

4）這次會議的相控陣雷達交流報告中涉及到了天線、信號處理、天線罩等相控陣天氣雷達的主要技術。其中注塑樹脂制成的波導縫隙陣列天線和多輸入輸出技術都是過去未采用的新技術，這些技術對于相控陣天氣雷達發展有可能帶來重要影響。

5）報告了我國獨立設計研制的新型相控陣天氣雷達——陣列天氣雷達，AWR采用分布式技術體制和掃描同步技術，解決了阻礙風場合成的時差過大問題，實現了風場與云降水相結合的探測。

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